李連馳

北京鐵路局北京機務段 北京 100080

在電力系統(tǒng)方面，2001年美國電力科學院（EPRI）提出“智能電網(wǎng)（Intelligrid）”概念。2005年歐洲提出類似的“智能電網(wǎng)（smartgrid）”概念。2009年5月，我國國家電網(wǎng)公司在“2009特高壓輸電技術國際會議”上提出建設堅強智能電網(wǎng)的方案。同年8月，確定了堅強智能電網(wǎng)第1批試點項目，標志著堅強智能電網(wǎng)試點工作全面啟動。2011年9月，建成我國功能最齊全的中新天津生態(tài)城智能電網(wǎng)綜合示范工程。目前，我國智能電網(wǎng)從標準制定、方案設計、設備研制、工程建設和運行維護等領域均取得了很大進展[1]。

1 鐵路機車車輛牽傳動技術現(xiàn)狀

1.1 主電路拓撲

我國電力機車及高速動車組的牽引變流器主電路拓撲均采用三電平結構或二電平結構，在中間直流環(huán)節(jié)電壓等級相同的情況下，采用三電平結構時，絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）耐壓等級可以降低一半，從而可以選擇低耐壓高開關頻率器件，并降低單重四象限整流器諧波含量，但其變流器四象限通常為一重，，所以從整車諧波抑制角度來看，其優(yōu)勢不明顯，同時三電平結構主電路開關器件較多，控制較為復雜，在我國高速動車組及電力機車中運用較少。具有控制簡單，技術成熟，運用經(jīng)驗豐富的特點，在我國主力車型中廣泛運用。

1.2 輪周功率

根據(jù)TSI對剩余加速度的要求，普通線路運營高速動車組輪周功率設計需要滿足在平直道上的剩余加速度不小于0.05m/s2的要求，160km/h及以下的城際動車組則根據(jù)快起快停的需求，對加速度的要求更高，其輪周功率設計與250km/h動車組相當。對于山區(qū)長大坡道運用動車組，其輪周功率需根據(jù)具體線路進行針對性設計，如目前進行可研設計的川藏鐵路運用動車組，其輪周功率設計明顯高于既有200km/h動車組。

1.3 中間直流環(huán)節(jié)電壓及器件耐壓等級

中間直流環(huán)節(jié)電壓的選擇是牽引變流器關鍵參數(shù)設計的重要依據(jù)，其直接影響牽引變流器器件的選型，雖然我國眾多主機廠在牽引系統(tǒng)設計時采用不同的技術路線，但其技術發(fā)展受限于硅器件IGBT和異步電機技術特點，在體積、質量和效率上存在瓶頸。在輕量化、節(jié)能環(huán)保的大背景下，鐵路機車車輛急需采用新的方式促進牽引傳動技術的發(fā)展。

2 牽引技術展望

2.1 碳化硅（SiC）器件

碳化硅肖特基二極管的規(guī)?；慨a(chǎn)起步于2000年左右，到現(xiàn)在為止，已經(jīng)接近于20年，日本ROHM公司是國際上第一家實現(xiàn)碳化硅肖特基二極管生產(chǎn)量化的企業(yè)，目前肖特基二極管由于質量性能的需要，已經(jīng)在進行第二代的研發(fā)，相較于初代肖特基二極管而言，第二代的肖特基二極管主要考慮反向恢復性能的強化、正向電壓的優(yōu)化，根據(jù)相關試驗研究，第二代產(chǎn)品的反向恢復可消耗時間較短，且正向電壓的減小值達到了0.2V左右。二代肖特基二極管主要包括兩種耐壓形式，即650V/1200V；絕緣類比可分為T0-220形式；封裝可分為T0-247、D2PAK等。相對于傳統(tǒng)硅材料二極管而言，二代產(chǎn)品可大大優(yōu)化反向恢復，繼而降低能耗，為此，二道肖特基二極管生活辦公、工業(yè)生產(chǎn)制造等方面都得到了大規(guī)模的應用?，F(xiàn)有牽引系統(tǒng)采用第二代控制單元和車控架構，控制板采用母板和子板組合結構，平板和插件采用獨立安裝、分布式布置。新一代牽引系統(tǒng)采用第三代控制單元和軸控架構，控制板采用單板緊湊結構，6U插件采用集中安裝方式。其優(yōu)勢為：控制板安裝空間和質量減小，元器件少，可靠性更高，開關控制頻率更高；軸控架構的輪軌黏著利用高，牽引可用性高，能耗低，易于選用更少的驅動軸，可使用永磁同步電機，車輪維護少；采用更少的驅動軸進一步減少了質量、能耗和成本。其劣勢為：控制板和軸控架構功率變流單元的數(shù)量均增加?？刂萍軜嬘绍嚳厣墳檩S控后，牽引系統(tǒng)內部控制單元的數(shù)量相對于車控明顯增加，但由于新一代控制板結構的簡化，且所有控制板集中安裝于標準機箱內，采用統(tǒng)一的信號連接器，使得控制單元安裝簡潔，維護方便，可靠性更高[2]。

2.2 永磁電機技術

由于永磁同步電機為無滑差控制，因此不適合于電機的并聯(lián)控制，在硬件結構上采用軸控的方式（一臺逆變模塊控制一臺電機）。永磁同步電機的直流主回路拓撲與異步電機控制的模式一致，即一臺高速斷路器、兩路預充電回路、兩路濾波電抗器，只在變流模塊的結構設計上有所不同，由原來的一個兩電平的逆變橋更改為兩個兩電平的逆變橋，控制兩臺電機。異步電機經(jīng)濟運行范圍一般為額定負載的60-100%。當工作范圍低于60%的額定負載時，電機的工作效率和功率因數(shù)曲線迅速下降。相比而言，永磁同步電機具有更寬范的經(jīng)濟運行范圍。不僅在額定負載工況下運行時效率很高，而且可以在30-120%額定負載的范圍內仍然能保持較高的效率，電機效率基本不低于額定效率的80%。另外，異步電機在運行過程中，轉子需要從電網(wǎng)吸收電能勵磁，這部分電能最終將以電流在轉子繞組中發(fā)熱的形式消耗掉，使電機的效率降低。

在相同的輸入?yún)?shù)下，即車輛特性一樣，對異步電機驅動方案、永磁電機齒輪驅動方案、永磁電機直驅方案進行設計電機。與異步電動機相比，永磁同步電動機具有效率高，體積小，速度范圍寬，節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，近年來在軌道交通領域得到了密切關注，并有潛力成為下一代新型牽引電動機。

3 結語

牽引技術作為鐵路機車車輛的核心技術，是鐵路機車車輛發(fā)展的重要基礎。文中總結了我國現(xiàn)有機車、動車組牽引傳動技術的特點，并展望了SiC器件、永磁電機技術在軌道交通的應用，新技術的應用對牽引系統(tǒng)輕量化、小型化，節(jié)能等方面均具有明顯的優(yōu)勢，對軌道交通牽引技術的發(fā)展具有深遠的意義[3]。